Penyerap Surya Nanoantena GaAs: Penangkap Cahaya Ultra-Lebar untuk Sel Tipis Tinggi Efisiensi

Pendahuluan

Energi surya, sebagai energi terbarukan, bersih, dan meluas, banyak dipelajari karena dapat diubah menjadi energi lain untuk aplikasi luas seperti sel surya [1,2,3], perangkat fotovoltaik [4, 5], dan penyerap termal foto [6, 7]. Sejak Landy et al. melaporkan penyerap sempurna berdasarkan meta-material berlapis logam-insulator-logam tiga lapis [8], banyak struktur nano menarik telah dirancang untuk pengumpulan dan pemanfaatan energi surya [9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. Layak untuk dicatat bahwa penangkapan energi surya yang efisien adalah kunci untuk aplikasi ini. Oleh karena itu, respons serapan surya dari penyerap biasanya dipelajari untuk mengevaluasi kinerja pengumpulan energi surya. Penyerap ideal memiliki serapan hampir satu dalam rentang panjang gelombang yang luas.

Secara prinsip, penyerap sempurna berarti penyerap termal yang baik dalam rentang panjang gelombang yang sama. Untuk suhu tertentu, energi radiasi dapat dijelaskan dan dideteksi dengan baik oleh serapan struktur [7]. Selain itu, rasio serapan terhadap radiasi termal selalu sama dengan emisivitas dalam kondisi kesetimbangan termal. Struktur nano logam mulia biasanya digunakan untuk mendapatkan penyerap sempurna, transmisi cahaya luar biasa, atau resonansi Fano melalui kopling kuat cahaya dengan plasmon permukaan [22,23,24,25,26,27,28,29,30]. Namun, energi surya yang terserap akan menyebabkan kenaikan suhu (yaitu, ketidakstabilan termal), yang mengakibatkan kerusakan struktur nano logam mulia dengan titik leleh rendah [7]. Perhatikan bahwa stabilitas struktural dan toleransi suhu tinggi dapat dijamin ketika logam refraktori digunakan untuk mengganti logam mulia dalam penyerap [6, 9, 11, 12]. Meskipun fenomena serapan cahaya ultra-lebar telah terbukti di platform ini, metode ini mungkin menderita masalah seperti geometri yang rumit [6, 18], bandwidth serapan yang relatif terbatas (< 750 nm) [9, 11, 12], atau kebutuhan besar logam mulia [8, 10, 11, 18].

Material semiconductorn juga telah menarik perhatian intensif karena biaya rendah dan efisiensi konversi energi surya yang tinggi dibandingkan perangkat tipis konvensional [31,32,33,34,35,36,37,38,39]. Sebagian besar penyerap surya didasarkan pada silikon (Si) karena kelimpahan alami dan jarak energi yang hampir ideal [31, 34]. Namun, efisiensi sel surya terbatas ketika ketebalan lapis Si berkurang. Oleh karena itu, penangkap cahaya kini menjadi salah satu topik utama dalam sel surya tipis [38]. Terkait, arsenida galium (GaAs) telah menjadi pesaing yang baik karena properti optik unik dan efisiensi konversi yang tinggi [36,37,38,39], yang telah terbukti secara eksperimental dalam panen energi surya. Misalnya, Massiot et al. menyajikan jaring logam untuk penangan cahaya multi-resonansi ultra-lebar dalam lapisan GaAs ultra-tipis dengan bandwidth serapan 380 nm (dari 450 hingga 830 nm) [40]. Li et al. mengusulkan sel surya dengan menggabungkan nanopartikel emas dan larik nanowire GaAs untuk mewujudkan band serapan lebar dalam wilayah cahaya terlihat (300–850 nm) [39]. Namun, band serapan mereka hampir dalam rentang 300–1100 nm. Terkait, dengan menempatkan grating GaAs pada struktur film tiga lapis GaAs-tungsten (W), kami memperoleh penyerap sempurna [40]. Namun, bandwidth serapan (> 90%) hanya mencapai 1300 nm. Selain itu, hanya polarisasi transmisi-magnetik (TM) yang dipertimbangkan dalam struktur ini.

Dalam karya ini, kami mengusulkan penyerap surya yang dapat dilakukan berdasarkan semiconductorn GaAs dan logam refraktori W dan Ti. Larik periodik nanoantena GaAs satu dimensi (1D), dilapisi nanoantena antirefleksi (AR) indium tin oxide (ITO), ditempatkan pada struktur film tiga lapis logam-semiconductorn-logam (MSM) tipis W-GaAs-Ti. Penyerap surya ini menunjukkan band serapan ultra-lebar yang mencakup wilayah cahaya terlihat dan inframerah tengah karena sinergi resonansi mode selang (GMRs) dan resonansi mode rongga bersama dengan polariton plasmon permukaan (SPPs). Bandwidth dengan serapan lebih dari 90% lebih besar dari 2400 nm. Penyerap ini juga menunjukkan toleransi yang baik terhadap sudut dan polarisasi cahaya insiden. Selain itu, arus pendek hingga 61,947 mA/cm² dicapai di bawah iradiasi surya AM1.5. Ini menawarkan perspektif baru untuk mencapai sel sel tipis fotovoltaik, panen energi surya, dan penyerap termal.

Bahan dan Metode

Sketsa penyerap yang diusulkan ditunjukkan dalam Gambar 1a. Larik nanoantena GaAs 1D disandwik oleh larik AR tunggal yang terbuat dari nanoantena ITO dan struktur film tiga lapis logam-semiconductorn-logam (MSM) tipis. Meskipun logam mulia tidak terlepas dalam pembuatan struktur serapan cahaya ultra-lebar, mereka menderita titik leleh rendah [41]. Selain itu, karena efek ukuran kecil, titik leleh struktur nano logam mulia yang diolah sangat terkurangi [42]. Ini mengakibatkan struktur nano logam mulia tidak memenuhi suhu kerja sel surya fotovoltaik. Oleh karena itu, material dengan stabilitas termal ultra-tinggi dan kapasitas serapan cahaya sangat diinginkan untuk menjaga stabilitas penyerap surya. Logam W, titanium (Ti) [6, 17], dan semiconductorn GaAs [36, 37, 39] semuanya memiliki titik leleh tinggi (3422 °C, 1668 °C, dan 1238 °C pada suhu ruang, masing-masing) dan oleh karena itu digunakan untuk memperoleh band serapan ultra-lebar dalam karya ini. Periode dan lebar nanoantena ditandai sebagai P dan d, masing-masing. Ketebalan film W bawah adalah 100 nm. Ketebalan film Ti dan GaAs ditandai masing-masing dengan h₁ dan h₂. Ketebalan ITO dan nanoantena GaAs ditandai masing-masing dengan t₁ dan t₂. Parameter optimal penyerap ini diatur sebagai P = 500 nm, d = 400 nm, t₁ = 80 nm, t₂ = 120 nm, h₁ = 70 nm, dan h₂ = 30 nm.

a Sketsa penyerap surya yang diusulkan. b Spektrum serapan penyerap surya (garis hitam), struktur tumpukan MSM (garis merah), dan struktur MSM dilapisi hanya nanoantena GaAs (garis biru)

Kinerja optik dan distribusi medan elektromagnetik penyerap ini dihitung dengan metode finite-difference time-domain (FDTD) [43]. Batas periodik digunakan di arah x dan lapisan cocok sempurna digunakan di arah z. Konstanta dielektrik Ti, W, dan GaAs diambil dari Palik [44], dan indeks bias ITO adalah 2.0 [35]. Jika tidak ditentukan lain, gelombang plane frekuensi lebar dengan polarisasi linier sepanjang sumbu x diiradiasi dari atas metasurface nanoantena (yaitu polarisasi TM) dengan jarak 540 nm di antara keduanya. Transmisi (T) dalam penyerap ini sama dengan nol karena film logam opak yang digunakan di bawah. Serapan (A) dari penyerap ini dapat dihitung dengan A = 1 − R, di mana R menunjukkan refleksi. Wilayah terhingga dengan panjang 20 nm, lebar 500 nm, dan tinggi 500 nm dan jaringan halus 1,6 nm dipilih untuk menghitung arus pendek (parameter lain sama dengan yang diatur dalam perhitungan refleksi). Jaringan tidak seragam dengan langkah jaringan minimum 0,25 nm dan gelombang plane dengan tiga wilayah panjang gelombang (280–400 nm, 401–1702 nm, dan 1705–4400 nm) digunakan untuk menghitung spektrum surya standar dengan simulasi dua dimensi sederhana. Penyerap yang diusulkan dapat dibuat dengan langkah-langkah berikut: (1) menyetor secara berurutan film W, GaAs, dan Ti dengan ketebalan tertentu pada substrat silika melalui metode penyetoran [45, 46]; (2) menyetor lapisan fotoresist pada struktur yang dibuat di atas dan mengetch-nya melalui litografi sinar elektron [47] untuk membentuk larik nanoantena satu dimensi; (3) menyetor secara berturut-turut materi GaAs dan ITO dengan ketebalan tertentu pada struktur yang dibuat pada langkah kedua; dan (4) menghapus nanoantena fotoresist yang dilapisi materi GaAs dan ITO melalui metode lift-off.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1b menunjukkan spektrum serapan penyerap yang dioptimalkan pada insiden normal (ditandai dengan “Absorber,” garis hitam). Untuk perbandingan, spektrum serapan struktur MSM (ditandai dengan “MSM,” garis merah) dan struktur MSM dilapisi hanya nanoantena GaAs (ditandai dengan “Struktur tanpa lapisan ITO,” garis biru) juga ditunjukkan dalam Gambar 1b. Untuk struktur dengan struktur film tiga lapis MSM sederhana, serapan kurang dari 70%. Ketika larik periodik nanoantena GaAs ditempatkan pada struktur MSM, band serapan ultra-lebar dengan serapan yang ditingkatkan dari 657 hingga 2679 nm dicapai. Ini menunjukkan bahwa larik nanoantena GaAs di sini bertanggung jawab atas serapan kuat dalam rentang panjang gelombang yang luas. Perhatikan bahwa intensitas serapan dalam rentang 991–1455 nm dan 2004–2388 nm masih kurang dari 90%. Untuk penyerap yang diusulkan, larik nanoantena ITO 80 nm yang diperkenalkan lebih memperkuat serapan dan memperluas band serapan. Dengan mempertimbangkan A > 90%, fenomena serapan ultra-lebar ditemukan dengan bandwidth serapan hingga 2402 nm yang mencakup wilayah cahaya terlihat, dekat, dan inframerah tengah (468–2870 nm). Serapan rata-rata meningkat hingga 95,5%. Ini karena lapisan ITO 80 nm memainkan peran antirefleksi, yang dapat lebih memperkuat efek antirefleksi nanoantena GaAs. Selain itu, lapisan ITO 80 nm cukup tinggi untuk memungkinkan resistensi lembar rendah, sehingga kehilangan transportasi lateral pembawa muatan yang rendah sepanjang ratusan mikron ke kontak logam lateral [35]. Akibatnya, peningkatan besar pada bandwidth serapan dan efisiensi serapan dicapai, lebih besar daripada penyerap yang berdasarkan sistem komposit logam mulia-semiconductorn [32,33,34,35,36,37]. Peningkatan serapan yang sangat besar terutama berasal dari eksitasi GMRs dan mode rongga serta efek kopling hibrid mereka [18].

Distribusi medan elektromagnetik (|E| dan |H|) dan densitas arus (J) dari penyerap ini pada panjang gelombang berbeda (yaitu, 594 nm, 1430 nm, dan 2586 nm) diselidiki. Pada 594 nm, energi medan listrik terutama terkonsentrasi di antarmuka nanoantena-udara, dan energi medan magnetik yang kuat terletak di nanoantena GaAs dan lapisan ITO (Gambar 2a, b). Ini menunjukkan bahwa GMRs dan mode rongga telah diangsangkan [18, 26]. Arus listrik di nanoantena GaAs (Gambar 2c) mengonfirmasi efektivitas nanoantena GaAs untuk peningkatan serapan ini [48, 49]. Pada 1430 nm, medan listrik yang kuat terutama ada di celah udara di dekat nanoantena (Gambar 2d) yang mengindikasikan mode rongga yang diangsangkan [18, 26]. Dalam Gambar 2e, energi medan magnetik terletak di antarmuka nanoantena GaAs-film Ti, yang menunjukkan bahwa GMRs dan mode rongga yang diangsangkan keduanya berkontribusi pada cahaya yang dikopling ke dalam struktur dan lebih lanjut mengangsangkan SPPs di dekat antarmuka film GaAs-film Ti [9, 18, 20, 39]. Arus listrik yang terdistribusi di film Ti yang ditunjukkan dalam Gambar 2f memberikan bukti kuat bahwa cahaya insiden sepenuhnya dikopling ke dalam struktur. Pada 2586 nm, energi elektromagnetik terutama terletak di celah antara nanoantena dan di antarmuka nanoantena GaAs-film Ti dan film GaAs-film W (Gambar 2g, h), dan arus listrik terutama terdistribusi di permukaan atas film W (Gambar 2i). Ini lagi menunjukkan bahwa cahaya dikopling ke lapisan bawah struktur oleh GMRs, SPPs, dan mode rongga. Oleh karena itu, disimpulkan bahwa GMRs, SPPs, dan mode rongga yang diangsangkan serta sinerginya menghasilkan serapan cahaya ultra-lebar dan hampir sempurna [18].

Distribusi medan listrik |E|, medan magnetik |H|, dan densitas arus J pada 594 nm (a–c), 1430 nm (b–f), dan 2586 nm (g–i), masing-masing

Dalam aplikasi praktis penyerap surya, serapan cahaya harus kurang sensitif terhadap sudut insiden dan polarisasi [2, 3, 6, 18, 20]. Namun, sebagian besar penyerap yang berbasis materi GaAs jarakibatkan eksplorasi sudut polarisasi dan sudut insiden [36, 39]. Gambar 3a menunjukkan evolusi serapan untuk penyerap surya yang diusulkan dengan polarisasi TM dengan iradiasi miring. Secara jelas, efek serapan hampir robust dalam rentang 468–3000 nm dengan sudut insiden hingga 55° dan hanya penurunan kecil pada panjang gelombang di wilayah inframerah tengah. Band serapan akan berkurang secara ekstrem ketika sudut insiden melebihi 55°. Gambar 3b menunjukkan serapan cahaya di bawah berbagai status polarisasi, di mana 0° sesuai dengan polarisasi TM dan 90° sesuai dengan polarisasi transmisi-listrik (TE). Terlihat bahwa serapan dapat dipertahankan secara sempurna di wilayah panjang gelombang pendek dan panjang (468–1010 nm dan 1800–3000 nm) saat sudut polarisasi meningkat dari 0 hingga 90°. Meskipun serapan menurun di wilayah inframerah dekat, masih di atas 50%. Secara keseluruhan, ketidaksensitifan sudut dan polarisasi serapan harus disebabkan oleh kecocokan impedansi yang baik dan kehilangan intrinsik [18, 19].

Peta serapan penyerap surya dengan sudut insiden yang dapat disesuaikan (a) dan status polarisasi (b)

Kami lebih lanjut melakukan penyelidikan serapan surya dengan menempatkan penyerap yang dioptimalkan di bawah iradiasi sumber AM 1.5. Penyerap surya menunjukkan serapan hampir sempurna di wilayah cahaya terlihat, dekat, dan inframerah tengah, mencakup wilayah distribusi energi iradiasi matahari utama (Gambar 4a). Karena beberapa status resonansi terjadi secara bersamaan, hampir energi surya satu ditangkap oleh penyerap. Ini menunjukkan efisiensi serapan energi surya yang tinggi dalam struktur seperti ini. Selain itu, bahan refraktori yang digunakan dalam penyerap ini berkontribusi pada menjaga stabilitas termal struktur ini saat suhu meningkat dalam rentang tertentu. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa penyerap yang diusulkan ini memiliki aplikasi yang lebih luas dalam perangkat fotoelektrik [50].

a Spektrum standar radiansi surya AM 1.5 dan spektrum serapan energi surya penyerap surya di bawah AM 1.5. b Energi yang terserap dan terlewatkan penyerap surya dalam rentang spektrum penuh radiansi surya

Seperti yang dilaporkan dalam [36], arus pendek J_sc untuk iradiasi surya AM1.5 dijelaskan oleh \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac{e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda \right)\mathrm{A}\left(\lambda \right), \) di mana e adalah muatan elektron, h adalah konstanta Planck, λ adalah panjang gelombang cahaya, Φ_AM1.5(λ) adalah radiansi surya pada AM 1.5, A(λ) adalah serapan, dan c adalah kecepatan cahaya. Di sini, kami menyelidiki arus pendek dengan mengubah ketebalan nanoantena GaAs dengan parameter lain tetap. Ketika t₂ diubah dari 30 hingga 210 nm dengan langkah 30 nm, arus foto yang dikumpulkan diperoleh seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5. Pola yang kuat dengan ketebalan t₂ diperoleh karena J_{sc> terutama bergantung pada jumlah mode resonansi dalam rentang 300–3000 nm. Nilai maksimum Jsc sama dengan 61.947 mA/cm² diperoleh ketika t2 = 120 nm, yang jauh lebih besar daripada yang dilaporkan oleh Meng et al. (30.3 mA/cm²) [35].}

Arus pendek dengan ketebalan nanoantena GaAs di bawah cahaya polarisasi TM

Kesimpulan

Kami menyajikan penyerap surya berdasarkan nanoantena GaAs yang dilapisi satu lapis ITO pada struktur tumpukan tiga lapis W-GaAs-Ti tipis. Penyerap cahaya ultra-lebar hampir sempurna dicapai dalam rentang panjang gelombang 468–2870 nm dengan serapan rata-rata di atas 95%. Properti serapan cahaya ultra-lebar berasal dari sinergi GMRs, mode rongga, dan SPPs. Penyerap cahaya surya ultra-lebar sempurna ini juga memiliki toleransi suhu yang besar, tidak sensitif terhadap sudut dan polarisasi cahaya insiden, dan arus pendek terbaik hingga 61.947 mA/cm². Ini menawarkan perspektif baru untuk mencapai sel surya tipis, panen energi surya, dan penyerap termal.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini termasuk dalam artikel ini.

Singkatan

TM:

Transmisi-magnetik

1D:

Satu dimensi

AR:

Antirefleksi

GMRs:

Resonansi mode selang

SPPs:

Polariton plasmon permukaan

MSM:

Logam-semiconductorn-logam

FDTD:

Finite-difference time-domain

TE:

Transmisi-listrik